半导体材料测量(精)

1、半导体材料测量 (measurement for semiconductor material)用物理和化学分析法检测半导体材料的性能和评价其质量的方法。它对探索新材料、新器件和改进 工艺控制质量起重要作用。在半导体半barl材料制备过程中，不仅需要测量半导体单晶中含有的微量杂质 和缺陷以及表征其物理性能的特征参数，而且由于制备半导体薄层和多层结构的外延材料，使测量的内容 和方法扩大到薄膜、表面和界面分析。半导体材料检测技术的进展大大促进了半导体科学技术的发展。半 导体材料测量包括杂质检测、晶体缺陷观测、电学参数测试以及光学测试等方法。杂质检测半导体晶体中含有的有害杂质，不仅使晶体的完整性受到

2、破坏，而且也会严重影响半导体晶体的电学和光学性质。另一方面，有意掺入的某种杂质将会改变并改善半导体材料的性能，以满足 器件制造的需要。因此检测半导体晶体中含有的微量杂质十分重要。一般采用发射光谱和质谱法，但对于 薄层和多层结构的外延材料，必须采用适合于薄层微区分析的特殊方法进行检测，这些方法有电子探针、 离子探针和俄歇电子能谱。半导体晶体中杂质控制情况见表分析方法对象发射光谱晶体质谱晶体离子探针薄膜俄歇电子能谱表面电子探针薄膜卢瑟福散射表面活化分析薄膜全反射X光荧光表面可同时分析几十种元素 对全部元素灵敏度几乎相同对轻元素最灵敏微米级微区分析，对重元素最灵敏可测质量大于基体的单层杂质可随薄膜剥

3、离面分析 是测表面杂质最灵敏的方法适合于表面和界面的薄层微区分析, 可达1个原子层量级表1半导体晶体中杂质检测法灵敏度(0. 01 100) X 10-6(1 10) X 10-9一般元素1X 10-6轻元素，1X 10-9-61 X 10(10 100) X 10-610X 10-9过渡金属109/ cm，轻元素1012/ cm晶体缺陷观测半导体的晶体结构往往具有各向异性的物理化学性质，因此，必须根据器件制造的要求，生长具有一定晶向的单晶体，而且要经过切片、研磨、抛光等加工工艺获得规定晶向的平整而洁 净的抛光片作为外延材料或离子注入的衬底材料。另一方面，晶体生长或晶片加工中也会产生缺陷或损伤

4、 层，它会延伸到外延层中直接影响器件的性能，为此必须对晶体的结构及其完整性作出正确的评价。半导 体晶体结构和缺陷的主要测量方法见表表2半导体晶体结构和缺陷的主要测量方法测试项目测量方法对象和特点准确性晶向(1)光图定向可测晶向及其偏离角，设备简单精度可达30(2)X射线照相法适用于晶向完全不知的定向，精度较 高，但操作复杂，用于研究(3)X射线衍射仪适用于晶向大致已知的定向和定向 切割，精度高、操作简便精度可达1(1)化学腐蚀和金相观 察设备简单、效率高，用于常规测试(2)X射线形貌相穿透深度约50卩m,可测量晶体中位 错、层微缺陷化学腐蚀和金相观察观测无位错硅单晶中的点缺陷和杂质形成的微缺陷

5、团外延层厚度(1)解理染色法载流子浓度和厚度不受限制(2)红外干涉法不适用于高阻层，非破坏性，同质外延12310m；异质外延0. 310m分辨率 0.5 1 m(3)X射线干涉法厚度测量可达0.1 1 m误差 10%损伤层X光双晶衍射法可观测晶片经化学机械抛光后的表面缺陷和应力划痕等错、应力和杂质团电学参数测试半导体材料的电学参数与半导体器件的关系最密切，因此测量与半导体导电性有关的特征参数成为半导体测量技术中最基本的内容。电学参数测量包括导电类型、电阻率、载流子浓度、 迁移率、补偿度、少子寿命及其均匀性的测量等。测量导电类型目前常用的是基于温差电动势的冷热探笔数载流子寿命的方法有多种，广泛应

6、用的是交流光电导衰退法，简便迅速，测量范围为 合于锗、硅材料。半导体材料电学参数测量方法列于表3中。法和基于整流效应的点接触整流法。电阻率测量通常采用四探针法、两探针法、三探针法和扩展电阻法， 一般适用于锗、硅等元素半导体材料。霍尔测量是半导体材料中广泛应用的一种多功能测量法，经一次测 量可获得导电类型、电阻率、载流子浓度和迁移率等电学参数，并由霍尔效应的温度关系，可以进一步获 得材料的禁带宽度、杂质的电离能以及补偿度。霍尔测量已成为砷化镓等化合物半导体材料电学性能的常 规测试法。后来又发展了可以测量均匀的、任意形状样品的范德堡法，简化了样品制备和测试工艺，得到 了普遍的应用。另一类深能级杂质

7、，其能级处于靠近禁带中心的位置，在半导体材料中起缺陷、复合中心 或补偿的作用，而且也可与原生空位形成络合物，它对半导体材料的电学性质产生重大影响。对这种深能 级杂质的检测比较困难，目前用结电容技术进行测量取得了较大进展，所用方法有热激电容法、光电容法 和电容瞬态法，后又发展了深能级瞬态能谱法，可以快速地测量在较宽能量范围内的多个能级及其浓度。 外延材料中载流子浓度的剖面分布采用电容一电压法，可测深度受结或势垒雪崩击穿的限制，随浓度的增 加而减小。在此基础上建立的电化学电容一电压法，它是利用电解液阳极氧化来实现载流子浓度剖面分布 的连续测量，特别适用于m -V族化合物半导体材料和固溶体等多层结构

8、的外延材料。测量半导体材料中少 10103卩s。，适表3半导体材料电学参数测量方法测量方法对象和特点(1)冷热探笔法适用于电阻率不太高的材料，硅100 Q cm ;锗20 Qcm测试项目导电类型(2)点接触整流法不适于低阻材料，硅，1100 Q cm；锗，不适用。(1)四探针法单晶、异型层或低阻衬底上高阻层外延材料、扩散层，电 阻率范围10-10 Q cm，讯速非破坏性(2)两探针法适用于硅锭电阻率(3)三探针法相同导电类型或低阻衬底的外延材料(4)扩展电阻法硅单晶微区均匀性、外延层、多层结构、扩散层，空间分辨翠20nm电阻率范围10 -3102 Q cm或 ”*底上低阻外* ”时获得”* .

9、迁移 电型1载流子浓度(2)范德堡法均匀的、任意形状的样品，其他同上(3)电容一电压法低阻衬底外延层中载流子浓度的剖面分布，由于结或势垒雪崩击穿的影响，可测深度受限制，浓度范围10 145X 10 17/cm(4)电化学电容一电压法多层结构外延材料，浓度和深度不受限制补偿度(1)晶棒重熔法适用于以磷、硼为主杂质且均匀分布的硅单晶适用于硅、锗、化合物半导体材料可测距带边0. 2eV,时间常数10-4s的缺陷能级(2)低温霍尔测量载流子浓度(1)热激电流(2)热激电容同上，都用于pn结缺陷能级位置浓度的测定(3)光电容灵敏度高，可测 Eo. 3eV，时间常数102s的缺陷能级(4)深能级的瞬态谱1

10、灵敏度高(104)，分辨率高(0.03eV)，时间常数10卩S，能级范围宽，n-GaAs可测0.1eV的能级，p-GaAs和Si可测0.2eV的能级光学测试法光学检测技术对半导体材料中的杂质和缺陷具有很高的灵敏度，可以检测非电活性 杂质以及杂质与结构缺陷形成的络合物，而且在量子能量和样品空间大小的探测上具有很高的分辨率，特 别适合于微区薄层和表面分析。除了用于锗、硅晶体中超微量杂质的分析外，由于m-V族化合物半导体材料中存在部分离子键成分，光与晶体中电子的耦合比较强，使光学效应大大增强。这些材料又广泛用于光 电器件，光谱范围处于可见光和近红外区域，测试仪器不太复杂，探测器的灵敏度高，因此特别适合于m -V族一类的化合物半导体材料。光学测试主要用于杂质的识别和超微量分析，而且利用发光光谱可以研究与 杂质、缺陷、位错、应力、补偿率等的对应关系，作出晶体均匀性和完整性的判据，因此光学分析得到了 广泛的应用。半导体材料光学测量法列于表4中。表4半导体材料光学测量法红外干涉法测试内容特点外延层厚度测量范围0.515卩m,快速、精确、非破坏性测试方法相关词条:红外吸收法(1)硅中氧、碳含量检测限：氧(8K)3 X 1013cm3 ;碳(300K)1016cm3非掺Si GaAs中EL2深能级检测范围15 X 1016cm3(1